馮 霏，柴二威，李 芳

(1.沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142； 2.東北大學(xué) 機(jī)器人科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110000)

振動(dòng)篩廣泛應(yīng)用于礦山、煤炭、化工、食品等行業(yè)[1]，是工程中分離不同粒徑顆粒的專用設(shè)備，通過對(duì)篩體施加振動(dòng)，使混合的物料松散、分層和透篩，最終完成物料的分離[2-3].振動(dòng)篩在篩分過程中由于物料顆粒形狀的不規(guī)則或者顆粒潮濕度的原因，會(huì)出現(xiàn)堵料現(xiàn)象，影響篩分效率。因此，在篩分的過程中需要對(duì)篩面不斷進(jìn)行清理。一般情況下，除人工清理外，主要的清理方式有擊打式、架刷式以及彈球式[4].目前，工業(yè)上大多使用彈球式作為篩面振打裝置，這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)篩網(wǎng)的損傷小，能夠在振動(dòng)篩工作時(shí)不斷地清理篩面。

離散單元法(Discrete element method，DEM)是在巖土工程領(lǐng)域發(fā)展起來的一種模擬巖土塊體、顆粒群力學(xué)過程的數(shù)值方法[5].該方法可以模擬顆粒群流動(dòng)、顆粒之間的碰撞運(yùn)動(dòng)，得到每個(gè)時(shí)刻顆粒的相互作用力、速度、位移等[6].本文利用離散元法，分析在彈球式振打裝置下，不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)顆粒堵料的影響，結(jié)合篩分效率選出最佳振動(dòng)參數(shù)，為研究顆粒的堵孔提供參考。

1 振動(dòng)篩分模型

1.1 振動(dòng)篩分模型的建立

振動(dòng)篩的主要篩分部件是篩體，振打裝置主要作用的部件也是篩體，因此上篩面的篩孔為5 mm×5 mm，托篩的篩孔為5 mm×15 mm，篩絲直徑為0.9 mm，篩面為長(zhǎng)332 mm×寬109 mm.上篩面與下篩面之間的距離為60 mm.上下篩面之間的篩框放置彈球作為振打裝置。根據(jù)所選篩體的尺寸，設(shè)計(jì)4個(gè)篩框用來放置彈球，彈球d20 mm.振動(dòng)篩三維模型見圖1.

1—入料口;2—篩面;3—彈球;4—篩框圖1 振動(dòng)篩三維模型圖

1.2 彈球式振打裝置工作原理

在工業(yè)上，因硅膠彈力球具有良好的彈性、耐磨性和耐腐蝕性等特點(diǎn)經(jīng)常作為振打裝置的主要原件，彈球式振打裝置工作原理見圖2.

圖2 彈球式振打裝置工作原理圖

彈球式振打裝置的主要原理為：彈力球依靠篩體提供的振動(dòng)力和自身的彈力，在篩框中自由跳動(dòng)，隨著篩體的振動(dòng)不斷振打上下篩面。一方面，隨著彈力球不斷地對(duì)篩面的振打，把懸掛在篩孔里的顆粒震落下來；另一方面，彈球在篩框內(nèi)自由彈跳，擊打上篩面，把堵在篩孔中的顆粒擊打下來。

2 顆粒工廠的建立

以煤炭顆粒的篩分過程為例，模擬仿真實(shí)驗(yàn)條件見表1，2.顆粒輸送的物料分為易篩分顆粒、阻礙顆粒和難篩分顆粒。其中粒徑比為0.2～0.7的易篩分顆粒占總質(zhì)量的50%，粒徑比為0.7～1.0的難篩分顆粒占總質(zhì)量的30%，粒徑比為1.0～2.0的阻礙顆粒占總質(zhì)量的20%.模擬的顆粒數(shù)量為10 000個(gè)，顆粒產(chǎn)生的速度為10 000個(gè)/s，模擬仿真時(shí)間為5 s.

表1 材料特性參數(shù)表

表2 材料間的碰撞接觸參數(shù)表

在進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，以振動(dòng)頻率15 Hz、振幅3 mm、振動(dòng)方向角42°、彈球數(shù)量5為基礎(chǔ)參數(shù)，每次模擬實(shí)驗(yàn)只改變單一參數(shù)，找出單一參數(shù)對(duì)振打裝置的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和對(duì)堵孔的影響。本次篩選的物料為煤炭顆粒，一般選用的篩面傾角為10°.

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 堵孔率的定義

顆粒從入料端落到篩面上，通過篩面上的振動(dòng)，顆粒進(jìn)行分層，細(xì)顆粒就往下運(yùn)動(dòng)，與篩面接觸透篩的顆粒為篩下物，與篩面孔徑相近的顆粒反復(fù)與篩孔接觸成為堵料顆粒[7].堵孔率即為堵孔顆粒所堵住的篩面開孔面積與篩面開孔面積之比[8].經(jīng)過實(shí)驗(yàn)研究得知，堵孔顆粒與篩孔是一一對(duì)應(yīng)的，即一個(gè)篩孔中只有一個(gè)顆粒堵孔。用η表示堵孔率，顆粒數(shù)量用n表示，篩面總的篩孔用m表示，則堵孔率表達(dá)式為：

3.2 振動(dòng)頻率對(duì)堵孔率的影響

研究表明，振動(dòng)頻率是振動(dòng)篩的重要參數(shù)，決定著顆粒在篩面上的跳動(dòng)頻率與篩面的接觸碰撞次數(shù)[9].基準(zhǔn)參數(shù)保持不變，取振動(dòng)頻率分別為13 Hz、14 Hz、15 Hz、16 Hz、17 Hz進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，分析得出物料在不同振動(dòng)頻率下堵孔率及篩分效率的關(guān)系見圖3，彈球的平均速度見圖4.

圖3 振動(dòng)頻率與堵孔率及篩分效率的關(guān)系圖

圖4 彈球的平均速度圖

由圖3可知，振動(dòng)頻率由13 Hz增加到17 Hz，物料的堵孔率逐漸降低，而篩分效率也逐漸降低。圖4中，隨著振動(dòng)頻率的增加，彈球在篩框內(nèi)的跳動(dòng)速度也在逐漸增加。振動(dòng)頻率為13 Hz時(shí)，顆粒在篩面上的活躍程度不高，分層不明顯，容易發(fā)生堵孔現(xiàn)象；而彈球速度受振動(dòng)頻率的影響，速度較小時(shí)，對(duì)篩面的擊打力也小，清篩效果不明顯，從而堵孔率也高；由于顆粒在篩面上停留時(shí)間過長(zhǎng)，與篩面接觸次數(shù)增加，篩分效率也變大。隨著振動(dòng)頻率增加到17 Hz，顆粒在篩面上的活躍程度不斷提高，彈球在篩框內(nèi)的跳動(dòng)速度也增加，對(duì)篩面的清篩效果也越來越明顯，因此堵孔率也隨之降低；但顆粒在篩面上停留時(shí)間變短，篩分效率會(huì)降低。綜上所述，結(jié)合圖3，4，可以選擇振動(dòng)頻率為15 Hz的振動(dòng)參數(shù)作為參考。

3.3 振幅對(duì)堵孔率的影響

振幅主要影響顆粒在篩面上的運(yùn)動(dòng)速度，大的振幅可以使顆粒彈跳更加劇烈，并且有利于物料的分層[10].基準(zhǔn)參數(shù)條件保持不變，選取振幅為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)，分析繪制振幅與堵孔率及篩分效率的關(guān)系圖(圖5)及彈球的平均速度圖(圖6).

圖5 振幅與堵孔率及篩分效率的關(guān)系圖

圖6 彈球的平均速度圖

由圖5可以看出，振幅由2 mm增加到6 mm，物料的堵孔率以及篩分效率都是逐漸降低的。從圖6可知，振幅的增加對(duì)彈球速度的影響十分明顯。振幅由2 mm增加到3 mm時(shí)，堵孔率下降趨勢(shì)明顯，而篩分效率變化不大。這是因?yàn)榈驼穹鶗r(shí)，顆粒的拋擲強(qiáng)度弱，不容易出現(xiàn)拋擲運(yùn)動(dòng)，顆粒容易在篩面上產(chǎn)生堆積，而彈球也因?yàn)檎穹^小不易碰撞到篩面，不能達(dá)到良好的清篩效果。隨著振幅的增大，顆粒的拋擲強(qiáng)度也加強(qiáng)，更容易透篩，但拋擲距離變遠(yuǎn)，顆粒與篩面接觸次數(shù)變少，篩分效率變低，彈球?qū)Y面的力變大，堵孔率也降低。綜上所述，振幅3 mm可以作為篩分時(shí)的最佳振動(dòng)參數(shù)。

3.4 振動(dòng)方向角對(duì)堵孔率的影響

振動(dòng)方向角是顆粒振動(dòng)方向與上層篩面的夾角[11].基準(zhǔn)參數(shù)保持不變，改變振動(dòng)方向角，選取振動(dòng)方向角為39°、42°、45°、48°、51°進(jìn)行模擬仿真實(shí)驗(yàn)。分別繪制出振動(dòng)方向角與堵孔率及篩分效率關(guān)系圖(圖7)以及彈球的平均速度圖(圖8).

圖7 振動(dòng)方向角與堵孔率及篩分效率的關(guān)系圖

圖8 彈球的平均速度圖

由圖7可知，顆粒的篩分效率隨著振動(dòng)方向角的增加而降低，堵孔率先降低再增加然后降低，振動(dòng)方向角為42°時(shí)，堵孔率最低，48°時(shí)最高。從圖8可以看出，振動(dòng)方向角的變化對(duì)彈球速度幾乎沒有影響。振動(dòng)方向角在42°之后，振動(dòng)方向角越大，顆粒拋擲的距離就越短，停留在篩面上的時(shí)間越長(zhǎng)，停留的時(shí)間過長(zhǎng)容易發(fā)生堆積現(xiàn)象，篩分效率就會(huì)降低，相應(yīng)的堵孔率會(huì)增加。綜上所述，振動(dòng)方向角為42°可以作為最佳振動(dòng)參數(shù)。

3.5 彈球數(shù)量對(duì)堵孔率的影響

彈球的數(shù)量也是影響堵孔的一個(gè)因素，選取振動(dòng)頻率為15 Hz、振幅為3 mm、振動(dòng)方向角為42°作為基本條件，取彈球個(gè)數(shù)為2 個(gè)、3 個(gè)、4 個(gè)、5 個(gè)、6 個(gè)進(jìn)行模擬。分析得到不同彈球數(shù)量與堵孔率及篩分效率的關(guān)系，見圖9.

圖9 彈球數(shù)量與堵孔率及篩分效率的關(guān)系圖

由圖9可以看出，彈球數(shù)量由2個(gè)增加到6個(gè)，堵孔率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，在彈球數(shù)量為5時(shí)，堵孔率最低。這是因?yàn)閺椙驍?shù)量在5個(gè)之前，由于彈球數(shù)量較少，在篩框內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的空間變大，不能碰撞到篩面的各個(gè)位置，不能及時(shí)清理堵孔的顆粒，因此堵孔率增加。彈球數(shù)量增加到6個(gè)時(shí)，由于篩框內(nèi)空間的限制，彈球的運(yùn)動(dòng)受限，減少了對(duì)篩面的振打，堵孔率會(huì)有所增加。堵孔率的變化也會(huì)影響物料的篩分效率，結(jié)合圖9可以看出，彈球數(shù)量為5時(shí)篩分效率最高。綜上所述，選擇彈球的數(shù)量為5個(gè)作為研究堵料的參考數(shù)據(jù)。

4 總 結(jié)

1) 離散元法可以有效地模擬煤炭顆粒的篩分過程，得到不同振動(dòng)參數(shù)下物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及堵孔率，為振動(dòng)理論提供參考。

2) 根據(jù)在彈球式振打裝置下的模擬可知，振動(dòng)頻率、振幅、彈球數(shù)量對(duì)顆粒的堵孔率以及篩分效率都有影響，而振動(dòng)方向角對(duì)彈球運(yùn)動(dòng)的影響很小。

3) 選取最佳的振動(dòng)參數(shù)后，分析不同彈球數(shù)量對(duì)堵孔率的影響可知，在篩框內(nèi)放置的彈球數(shù)量為5 個(gè)時(shí)的堵孔率低于其他幾種情況，所以彈球自身的參數(shù)對(duì)顆粒堵孔也是有影響的。